中国学者最新评述：多功能生物医学超声

　　

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生物通报道：超声作为一种安全、经济、便携、快速的成像方法, 已经广泛应用于临床的各个领域并几乎涉及每一种人体器官和每一个医学分支. 近年来, 随着重大疾病早期诊疗的迫切需求, 结合物理、工程、技术的综合发展, 提出了超声分子成像、定点给药、超声神经调控及诊疗一体化等新技术, 生物医学超声将从单纯的成像手段转变为具有精确诊断、调控和治疗的多种功能.

近期来自中国科学院深圳先进技术研究院, 生物医学与健康工程研究所等处的研究人员简要介绍了生物医学超声基本物理特征(波动、力学和热效应), 并结合他们的研究工作回顾近几年超声在生物医学中的新研究进展(分子影像、操控给药和神经调控等方面), 探讨超声诊疗一体化和超声神经调控在精准医学和脑科学中的应用前景.

生物医学超声是以超声波为被探测信息的载体或能量源, 依托电子技术、计算机技术、信号处理方法、制造工艺等工程技术手段, 利用超声波与人体组织相互作用后的声学特性和生物学效应来诊断或治疗疾病. 医学超声作为一种成像技术, 经过了70多年的发展, 由于其成像功能强、易于使用和经济性好等优点, 已经成为现代临床医学应用最广泛诊断手段之一.

近年来, 随着整个医学学科的发展以及对于超声生物效应的深入理解, 医学超声正在向早期诊断“看得早”、精确诊断“看得清”、超声操控与调控、成像诊断-给药-治疗的“多功能诊疗一体化”方向发展. 这些技术的发展, 也是对生物医学超声与人体组织相互作用的物理机制的深入挖掘, 是超声波物理特性与生物学效应的综合应用.

自20世纪50年代, 基于超声波在生物组织中传播、散射及多普勒现象发展出的黑白超声(B超)及彩色血流超声成像(彩超)技术极大地提高了超声成像诊断能力, 使之成为医学临床影像诊断上应用最广泛的重要工具. 20世纪80年代, 造影剂微泡及造影成像的出现是医学超声发展史上的新的里程碑. 如图3所示, 近来, 基于靶向微泡的超声分子成像、超声辐射力给药技术、利用超声能量聚焦的热治疗技术和超声辐射力神经调控, 为多种疾病的无创治疗带了新的希望. 这篇文章就分3个方面简要介绍超声在生物医学中的新应用.

作者指出：超声波在生物组织中的传播规律相当复杂, 超声回波信号中携带着丰富的表征组织生物学特性的信息. 传统的超声影像技术主要是利用超声波在人体组织中的反射、散射、衰减、多普勒效应等物理特性来获取目标的解剖结构和动力学参数. 这种基于超声线性效应的成像方式所获取的信息存在一定的局限性, 其图像分辨率无法完全反映生物体的复杂特异性.

近年来, 随着重大疾病早期诊疗的迫切需求, 结合物理、工程、技术的综合发展, 微泡非线性成像、超声分子成像、超声靶向微泡定点给药及治疗一体化等多功能超声技术蓬勃发展, 超声成像所能提供的信息从单纯的人体组织解剖结构信息和血流信息, 发展到组织弹性、运动信息、功能代谢、温度场分布、甚至实现对特定组织细胞核分子的生物过程进行定性和定量成像. 超声微泡在作为成像造影剂及靶向分子影像探针的同时, 其大表面积和可修饰的弹性壳体也是极佳的药物载体. 超声还能够产生声辐射力, 因此利用超声声场驱动血管内药物颗粒定点聚集并在指定病灶区释放药物, 可以实现局部药物定点输送. 该技术有望极大地提高目标部位的药物浓度, 降低药物对全身正常组织的毒副作用, 提升疗效和安全性. 此外, 通过进一步研究超声(辐射力)深脑刺激与调控, 明确超声对神经刺激与调控的影响、及声辐射力等对神经元细胞及神经环路的调控机制, 超声开启血脑屏障等为脑疾病和神经科学等提供新的研究工具. 同时, 未来发展具有超声机械敏感离子通道操作技术, 实现分子水平特异性超声敏感神经调控(Sonogenetics, 声遗传或声基因操作)也具有重大科学意义. 这同样需要建立在对超声调控血脑屏障和超声神经调控生物学机制充分理解的基础上, 需要和生物医学、神经科学等学科深度交叉开展研究.

总之, 生物医学超声已从单一的成像诊断功能逐渐扩展到对成像、调控、治疗的多功能的医学临床和科学研究工具. 随着对超声技术及临床应用的不断深入, 这些功能必将在生物医学研究及医学临床上发挥更大作用.

原文检索：

郑海荣, 蔡飞燕, 严飞, 等. 多功能生物医学超声: 分子影像、给药与神经调控. 科学通报, 2015, 60: 1864–1873
Zheng H R, Cai F Y, Yan F, et al. Multi-functional biomedical ultrasound: Imaging, manipulation, neuromodulation and therapy (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: 1864–1873, doi: 10.1360/N972015-00038